2.5. Прогноз метанообильности шахт

При проектировании вентиляции новых шахт и горизонтов не­обходимо знать их возможную метанообильность, которая может быть определена горностатическим методом или по метаноносно-сти пластов.

При горностатистическом методе прогноза метанообилыюсти проектируемых шахт или более глубоких горизонтов действующих шахт определяется ступень метанообильности, характеризующая увеличение относительной метанообильности шахты (горизонта) при углублении горных работ на единицу вертикальной глубины:

q = q₀ + (H-H₀)/H_CT, (2.4)

где q — искомая метанообильность на глубине Н (м), м³/т; q₀ — известная метанообильность на достигнутой глубине горных работ #о (м) для действующих шахт, м³/т; на границе зоны газового выветривания при глубине этой зоны Н₀ для вновь проектируемых шахт <7о = 2-^-3 м³/т; Я_ст — ступень метанообильности шахты, м/(м³/т).

Для Донецкого бассейна глубина зоны газового выветривания находится в среднем в пределах 100—300 м, значение ступени ме­танообильности — в пределах 20—35 м/(м³/т). Для Кузбасса эти значения составляют соответственно 50—150 м и 10—25 м/(м³/т), для Карагандинского бассейна— 100—200 м и 6—25 м/(м³/т), для Воркутинского месторождения — 80—230 м и 4—25 м/(м³/т).

Поскольку значения Я_ст и q₀ определяются статистически по результатам замеров на действующих шахтах (горизонтах), их зна­чения для проектируемых шахт (горизонтов) могут быть недоста­точно точными. Поэтому прогноз метанообильности горностатисти­ческим методом рекомендуется производить лишь для участков, расположенных вблизи разрабатываемых шахтных полей (по паде­нию или простиранию).

Метанообильность подготовленных горных выработок (м³/сут) определяется по формуле

'п = ('пов + /₀.у) 1440, (2.5)

где /пов — абсолютное метановыделение с обнаженных поверхно­стей, м³/мин; /₀._у— абсолютное метановыделение из отбитого угля,

м³/мин.

'пов = «i/tVcp.kGo (2 У//у_ср.„ — 1), (2.6)

22

_{где Пх} — число неподвижного обнажения поверхностей пласта; _/Un __ полная мощность угольных пачек разрабатываемого пласта, _м.^п _Уср._к — средняя скорость проведения выработки, м/мин; G₀ — абсолютное метановыделение с 1 м² обнаженной поверхности пла­ста м³/(мин-м²); / — длина выемочного участка, м.

Для тонких и средней мощности пластов Донбасса /_Пов (м³/мин) определяется по формуле

U-m_BVnWn,,4¹⁰"⁴' ^(2J)

ИЗ

от

_{где Шп} _ вынимаемая мощность пласта (высота слоя), м; Ь_у — ширина забоя подготовительной выработки, проводимой по углю, _м; у_п_ скорость подвигания подготовительной выработки, м/мес; У 1_ плотность угля, т/м³; q_nn — относительное газовыделение разрабатываемого пласта, м³/т; fc^—коэффициент, зависит времени Т_п, прошедшего с начала проведения выработки до момен­та определения газообильности; нриТ„> 1 мес k_Tji = 1—0,5 ^п (при

Т„ в месяцах); при Т_п< 1 мес k_Tn = 0,09 | Т_п (при Т_п в сутках). Величина G₀ [м³/(мин-м²)] для условий Донбасса определяется тю формуле

G₀ = 0,69- Ю-³ [х- \0-*(V'? + 0,16]. (2.8)

Для условий Печорского, Кузнецкого, Карагандинского и дру­гих восточных бассейнов величина G₀ [м³/(мин-м²)] определяется ло формулам:

для пластов с природной газоносностью х<.\0 м³/т

G₀ = (х — х₀) 10-7(7,1 -0,3*); (2.9)

для пластов с природной газоносностью л:>10 м³/т

С₀-7^(^-^о)²10"³/17,3(1725-Я), (2.10)

где х — природная метаноносность пласта (принимается по гео­логоразведочным данным), м³/т; V^r — выход летучих веществ, %; л:о — остаточная метаноносность пласта, м³/т. Остальные обозначения прежние.

Величина х₀(м³/т) рассчитывается по формуле

*о = *о.г(100-№-Л₃)/100. (2.11)

где х₀-г — остаточная метаноносность углей, м³/т горючей массы, принимается по табл. 4; W — природная влажность угля, %; Л₃ — природная зольность угля, Со­относительное газовыделение из разрабатываемого пласта (м³/т) при разработке пластов без разделения на слои определя­ется по формуле

<7пл = m_n (&пл + £_ц) (х — х₀)/т_в, (2.12)

где т_п и т_в — соответственно полная и вынимаемая мощности пласта, м; k_un — коэффициент, учитывающий влияние системы раз­работки на метановыделение из пласта; k_n — коэффициент, учи тывающий метановыделеиие из оставляемых в выработанном про­странстве целиков угля;

к_ц = 1Ь_ц/1_оч, (2.13)

где 2&ц — суммарная ширина угольных целиков по падению пла­ста в пределах выемочного участка, м; /_оч — длина очистного за­боя, м.

При сплошной системе разработки k_ajl=l.

При столбовой системе разработки

k_nJl=l-2V/V₀. (2.14)

где V — количество метана, выделившегося с обнаженных поверх­ностей массива угля, подлежащего выемке, м³; V₀ — количество метана в угольном пласте в пределах выемочного участка, которое может выделиться при его разработке, м³.

V=bJ6-mn_nG₀VU^(lj3 + v_cpVT^;), (2.15)

где /„ — длина подготовительной выработки, м; v_cp— средняя ско­рость проведения подготовительной выработки, м/сут; Гост — вре­мя существования подготовительной выработки с момента оконча­ния ее проведения до начала очистной выемки угля, сут.

V₀ = lm_nl_O4y(x-x₀). (2.16)

Относительное газовыделение (м³/т) при выемке мощных пла­стов с разделением на слои определяется по формулам: для первого слоя

с/пл = К. Ал (х — ^хо) + гп_нК_л(х — х₀)/т'_в ; (2.17)

для второго слоя

<7пл — ^н.ц&нл \Х_е •*■())' (2. *°)

где /г_н._ц и &_н#ц — коэффициенты, учитывающие потери угля в

целиках, невынимаемых пачках и т. д. при выемке соответственно первого и второго слоев;

&н.ц = пг'_п1т'_в\ /г„._ц = т_п/т_в ; (2.19)

т_п — полная мощность временно невынимаемой толщи, м;

т_я = ^тп + пи ; (2.20)

т_и— полная мощность разрабатываемого пласта, м; т_И и /тг„ — полная мощность вынимаемых соответственно первого и второго слоев, м; т_в и т_в — вынимаемая мощность вынимаемых соот­ветственно первого и второго слоев, м; k_nn и k_nn — коэффициенты, учитывающие влияние системы разработки на метановыделеиие из пласта для первого и второго слоев; х_е — средняя остаточная мета-ноносность угля временно невынимаемой толщи, м³/т.

Для систем разработки с применением комплексов КТУ и с закладкой выработанного пространства

х_е - k_№(x~x₀)/T_up, (2.21)

где &_ДР— коэффициент, характеризующий степень дренирова­ния временно невынимаемой толщи в зоне выемки, принимается по табл. 5; Т_пр — показатель снижения остаточной метаноносности, зависящий от мощности временно невынимаемой толщи и про­должительности ее обнажения.

-

23

Таблица 5 Значение коэффициента дренирования угля в зоне выемки

Для пологих и наклонных пластов с послойной выемкой систе­мой разработки длинными столбами по простиранию значение х_с (м³/т) определяется по формуле

х_е = k_Rpx, (2.22)

где &др — коэффициент, характеризующий степень дренирования временно невынимаемой толщи; определяется по номограмме [25]. Абсолютное метановыделеиие в выработку из отбитого угля (м³/мин) определяется по формуле

⁷о.у = b_yv_cp._Kym_B(x — x₀). (2.23)

При проведении выработок буровзрывным способом метановы­делеиие (м³/мин) определяется по формуле

^ = Я_п.-гт_вуЬ_у1_ш/\80, (2.24)

где /_ш — полезная глубина шпуров, м; остальные обозначения прежние.

25

При проведении полевых выработок на расстоянии />/_п,т от пласта метановыделение в выработку отсутствует. Если же /</_min, то в выработку выделяется метан. Значения /_тщ (номинальное рас­стояние между пластом и выработкой по нормам) приведены в табл. 6.

При /</min абсолютное метановыделение в выработку (м³/мин) определится по формуле

'n.ui = V_n> (2.25)

где /е₂ — коэффициент, учитывающий уменьшение метановыделе-ния в полевой штрек в связи с изменением /; /„ — абсолютное ме­тановыделение в выработку, проводимую по углю, м³/мин.

Коэффициент /г₂ принимается следующим образом: если / мень­ше /пни, приведенных в табл. 6, в 1,2 раза, то &₂ = 0,3; в 1,5 раза —

/г₂ = 0,5; в 2 раза — &₂ = 0,75; в 3 раза — &₂ = 0,9.

Для условий Подмосковного бассейна ожидаемое выделение углекислого газа в подготовительные выработки определяется по формуле

/со₂ = I7S, (2.26)

где П — количество выделяющегося углекислого газа с 1 м² от­крытой поверхности разрабатываемого пласта, м³/сут. Величина П для свежеобнаженных поверхностей угольного пласта (менее 12 мес) принимается равной 0,08 м³/сут, а для старых обнажений (более 12 мес) —0,02 м³/сут; 5 — площадь открытых поверхностей угольного пласта подготовительных выработок, м².

Безопасные условия труда в газовых горных выработках обес­печиваются соблюдением всех требований безопасности. Согласно ПБ, концентрация метана в рудничном воздухе не должна превы­шать следующих пределов:

26

в исходящей струе из участка, очистного забоя и подготовитель­ной выработки— 1 %;

в общей исходящей струе шахты, крыла — 0,75 %;

в поступающей струе в очистные или подготовительные забои и в камеры — 0,5 %; местное скопление в очистных, подготовитель­ных и других выработках — 2 %.

Допустимые концентрации метана значительно меньше нижне­го предела воспламенения, что гарантирует безопасность работ при соблюдении указанных концентраций в горных выработках.

2.6. Меры борьбы с метаном в шахтах и рудниках

Весь комплекс мер борьбы с метаном в шахтах и рудниках включает: недопущение опасных скоплений метана в выработках; предупреждение воспламенения метана; ограничение последствий взрывов; борьбу с суфлярами и внезапными выбросами.

Основной мерой предотвращения опасных скоплении метана яв­ляется вентиляция, которая считается эффективной, если во всей сети действующих выработок поддерживается допустимая концен­трация метана. Необходимое увеличение количества поступающего воздуха в газовую шахту или рудник на отдельные участки дости­гается уменьшением аэродинамического сопротивления вентиля­ционной сети и распределением воздуха по выработкам в соответ­ствии с их газовым балансом. Необходимо также уменьшать утеч­ки воздуха, так как они приводят к уменьшению количества по­ступающего воздуха к основным местам его потребления.

Однако наряду с обеспечением выработок достаточным коли­чеством воздуха необходимо выполнять и ряд дополнительных тре­бований. Так, при слоевых скоплениях метана часто средняя кон­центрация его на выходе из выработки находится в пределах нор­мы, в то время как в слое на некотором участке выработки кон­центрация метана может превышать допустимые пределы. Чтобы не допустить этого, применяют меры по усилению перемешивания воздушного потока в пределах слоя.

При проветривании тупиковых выработок возможны случаи, когда вентилятор будет засасывать загрязненный метаном воздух и вновь подавать его в забой (рециркуляция воздуха). При этом в забое будет накапливаться метан и содержание его может превы­сить допустимые концентрации. Чтобы избежать рециркуляцию воз­духа, необходимо надежно отделять свежую струю от исходящей, в частности, располагать вентилятор (или конец всасывающего тру­бопровода) только на свежей струе. Это же требование распрост­раняется и на сквозные выработки: движущийся по ним загрязнен­ный воздух не должен попадать в свежие струи, поступающие к местам ведения работ.

Метан, будучи почти в 2 раза легче воздуха, имеет тенденцию скапливаться в верхних частях выработок, особенно при недоста­точно интенсивном перемешивании воздушного потока. Поэтому

27

исходящие струи следует направлять вверх, в сторону естественно­го движения метана. В частности, движение воздуха в очистных забоях, где метан выделяется наиболее интенсивно, при углах па­дения пласта от 10° и более должно быть восходящим. Движение исходящей из очистных забоев струи может быть нисходящим лишь при большой скорости воздуха (свыше 1 м/с), обеспечивающей хорошее перемешивание метана, а также при отсутствии куполов и пустот, в которых может скопиться метан. В газовых шахтах про­водить наклонные и вертикальные тупиковые выработки следует сверху вниз; в противном случае необходимо предварительно бу­рить сквозные скважины.

Достаточно интенсивное перемешивание метана в вентиляцион­ном потоке возможно лишь при скоростях движения воздуха в очистных забоях не менее 0,25 м/с и в подготовительных — не ме­нее 0,15 м/с. Естественно, что даже кратковременная остановка вентиляторов в газовой шахте недопустима.

В последнее время наблюдается быстрый рост газообильности шахт вследствие углубления горных работ и интенсификации добы­чи угля. При этом возможности вентиляции могут оказаться исчер­панными, что потребует проведения специальных мероприятий по борьбе с метаном. Основным из них является дегазация вырабо­ток, принципы и способы которой рассмотрены в 2.7.

Опасные по газу шахты переводятся на так называемый газо­вый режим. Этот режим предусматривает проведение комплекса мероприятий по предупреждению воспламенения метана, в частно­сти, применение взрыво- и искробезопасного электрооборудования, предохранительных ВВ и определенных правил ведения взрывных работ, запрещение пользоваться открытым огнем.

Тупиковые забои в газовых шахтах должны проветриваться нагнетательными вентиляторами и постоянно омываться свежим воздухом.

Откатка контактными электровозами разрешается только в шахтах I и II категорий по метану лишь в главных откаточных вы­работках со свежей струей.

Для ограничения возможных последствий взрыва метана венти­ляционная сеть шахты должна состоять из возможно большого числа независимых участков, а свежие и исходящие струи должны быть надежно разделены. Необходимо также выполнять ряд орга­низационных мер: своевременно отключать электроэнергию; выво­дить людей при загазировании выработки; тщательно составлять план ликвидации аварий и знакомить с ним всех работающих, по­вышать боевую готовность горноспасательных частей.

Борьба с суфлярами ведется либо увеличением подачи воздуха в выработки (при небольших суфлярах), либо каптироваиием газа. Для каптажа суфляра сооружают герметичную камеру у его устья и из нее отводят газ по трубопроводу. Иногда применяют тампо­наж суфляров.

Мероприятия по предупреждению внезапных выбросов угля и газа включают в основном мероприятия по дегазации пласта, сни-

28

жению концентрации напряжений в пласте, укреплению забоя и специальные организационно-технические мероприятия.

При вскрытии выбросоопасных пластов применяется предвари­тельная дегазация.

Укрепление забоя достигается применением специальных кре­пей, обеспечивающих жесткое и прочное поддержание забоя и на­висающих массивов угля.

Организационно-технические мероприятия по борьбе с внезап­ными выбросами связаны с механизацией ведения горных работ, дистанционным управлением машинами, обеспечением рабочих изо­лирующими самоспасателями и др.